Ассортимент пластырей в аптеках постоянно растет. И дело не во внешнем виде и размере, а в функционале липучек. Одни помогают бросить курить, другие — планировать беременность, третьи — заснуть. Не за горами тот день, когда в одной крохотной наклейке будет умещаться мини-лаборатория. Над этим работают сотни научных коллективов во всем мире.
Умный инсулиновый пластырь
Над созданием умных инсулиновых пластырей трудится несколько десятков стартапов и научных коллективов.
Об очередной разработке в журнале Nature Biomedical Engineering недавно рассказали биоинженеры Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и их коллеги из Медицинской школы UNC и Массачусетского технологического института.
Свою наклейку они испытали пока что на мышах и свиньях и готовятся подать заявку в FDA для получения разрешения на клинические испытания на людях.
Их пластырь для лечения диабета контролирует уровень сахара в крови и содержит дозы инсулина, предварительно загруженные в крошечные микроиглы длиной менее одного миллиметра, которые быстро доставляют лекарство, когда уровень сахара в крови достигает определенного порога. Когда уровень сахара в крови возвращается к норме, доставка инсулина пластырем замедляется. Исследователи заявили, что преимущество заключается в том, что это может помочь предотвратить передозировку инсулина, которая может привести к гипогликемии, судорогам, коме и даже смерти.
Микроиглы, используемые в пластыре, изготовлены из чувствительного к глюкозе полимера, который инкапсулирован инсулином. После нанесения на кожу микроиглы проникают под кожу и могут определять уровень сахара в крови. Если уровень глюкозы повышается, полимер активируется для высвобождения инсулина.
Каждая микроигла меньше обычной иглы, используемой для взятия крови, и проникает не так глубоко (примерно на полмиллиметра), поэтому пластырь менее болезнен, чем укол булавкой.
Команда предполагает, что умный пластырь с микроиглами может быть адаптирован для использования различных лекарств для лечения разных заболеваний.
Но пока одни только планируют начать клинические испытания, другие — уже вовсю продают аналогичные пластыри. Об опыте использования одной из таких систем мониторинга уровня глюкозы FreeStyle Libre наш портал рассказывал в прошлом месяце.
Монитор сердечного ритма
Исследователи Samsung разрабатывают кожный пластырь для мониторинга сердечного ритма. Они смогли интегрировать растягивающийся органический светодиодный дисплей (OLED) и датчик фотоплетизмографии (PPG) в одно устройство для измерения и отображения частоты сердечных сокращений пользователя в режиме реального времени. Исследователи смогли протестировать прототип кожного пластыря, прикрепив его к внутренней части запястья пользователя рядом с лучевой артерией, где обычно проверяется пульс. Основываясь на их выводах, опубликованных в журнале Science Advances, движение запястья не привело к снижению производительности при нормальной работе решения, даже если оно было удлинено до 30%.
Также было обнаружено, что датчик и OLED-дисплей «продолжали стабильно работать» даже после того, как их растянули тысячу раз.
Исследователи выбрали эластомер, материал с резиноподобными свойствами, вместо обычного пластикового материала. Но поскольку эластомерный материал уязвим к нагреву, команда усилила термическую и химическую стойкость дисплея.
«Сила этой технологии в том, что она позволяет вам измерять свои биометрические данные в течение более длительного периода без необходимости удалять раствор, когда вы спите или занимаетесь спортом, поскольку пластырь ощущается как часть вашей кожи», — говорит главный исследователь и автор проекта Янджун Юн.
По его словам, технология может быть применена в носимых медицинских изделиях для взрослых, детей и младенцев.
«Наши исследования все еще находятся на ранних стадиях, но наша цель состоит в том, чтобы реализовать и коммерциализировать растяжимые устройства за счет повышения разрешения системы, растяжимости и точности измерений до уровня, который делает возможным массовое производство», — констатировал соавтор исследования Джон Вон Чунг.
Наклейка-алкометр
Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали мягкий эластичный пластырь для кожи, который можно носить на шее, чтобы непрерывно отслеживать кровяное давление и частоту сердечных сокращений при измерении уровня глюкозы, а также лактата, алкоголя или кофеина. Это первое носимое устройство, которое одновременно контролирует сердечно-сосудистые сигналы и несколько биохимических уровней в организме человека. «Этот тип носимых устройств был бы очень полезен для людей с основными заболеваниями, чтобы регулярно следить за своим здоровьем, — убежден соавтор исследования Лу Инь. — Это также могло бы стать отличным инструментом для удаленного мониторинга пациентов, особенно во время пандемии COVID-19, когда люди сводят к минимуму личные визиты в клинику».
Наклейка также может быть использована для выявления начала сепсиса, который характеризуется внезапным падением кровяного давления, сопровождающимся быстрым повышением уровня лактата. Она может стать удобной альтернативой для пациентов в отделениях интенсивной терапии, включая младенцев, которым необходим постоянный мониторинг артериального давления и других жизненно важных показателей. В настоящее время эти процедуры включают в себя введение катетеров глубоко в артерии и «привязывание» пациентов к нескольким больничным мониторам.
«Новизна здесь в том, что мы берем совершенно разные датчики и объединяем их вместе на одной небольшой платформе размером с марку, — поясняет профессор наноинженерии в Калифорнийском университете в Сан-Диего и соавтор исследования Джозеф Ван. — Мы можем собрать так много информации с помощью этого носимого устройства и сделать это неинвазивным способом, не вызывая дискомфорта или прерывания повседневной деятельности».
Датчик артериального давления расположен в центре пластыря, говорится в статье исследователей, опубликованной в журнале Nature Biomedical Engineering. Он состоит из набора небольших ультразвуковых преобразователей, которые «приварены» к пластырю проводящими чернилами. Напряжение, приложенное к преобразователям, заставляет их посылать ультразвуковые волны в организм. Когда ультразвуковые волны отражаются от артерии, датчик обнаруживает эхо-сигналы и преобразует их в показания АД.
Химические датчики представляют собой два электрода, которые напечатаны на пластыре с помощью проводящих чернил. Электрод, который улавливает лактат, кофеин и алкоголь, напечатан на правой стороне пластыря; он работает, высвобождая препарат под названием пилокарпин в кожу, чтобы вызвать потоотделение и обнаружить химические вещества в поте. Другой электрод, который воспринимает глюкозу, напечатан на левой стороне; он работает, пропуская слабый электрический ток через кожу, чтобы высвободить интерстициальную жидкость, и измеряя содержание глюкозы в этой жидкости.
Исследователи были заинтересованы в измерении этих конкретных биомаркеров, потому что они влияют на кровяное давление.
«Допустим, вы контролируете свое кровяное давление, видите всплески в течение дня и думаете, что что-то не так. Но анализ биомаркеров может сказать вам, были ли эти всплески вызваны употреблением алкоголя или кофеина. Наша комбинация датчиков может дать вам такую информацию», — подытоживает Джозеф Ван.
Команда уже работает над новой версией пластыря, в которой будет еще больше датчиков.
Невидимая защита
Патч Gx компании Epicore Biosystems предназначен для «сбора» пота. Идея состоит в том, что если вы знаете, как вы потеете во время интенсивных тренировок, вы можете лучше понять, как восстановиться и подготовиться к следующей тренировке. Пластырь нужно носить на внутренней стороне левой руки, на несколько дюймов выше локтевой складки, от 30 до 120 минут. Необходимо хорошенько пропотеть, чтобы пластырь мог «пропитаться» потом и смешать его с пищевым красителем. Оранжевый цвет — индикатор скорости потоотделения, а фиолетовый — потери натрия. При помощи камеры телефона следует сосканировать патч, чтобы передать данные в сопутствующее приложение Gatorade Gx, где они будут проанализированы, чтобы предложить пользователю индивидуальные рекомендации. Приложение пока доступно только для iPhone и лишь в США.
Энергия движения
Ученые из Университета Осаки в сотрудничестве с JOANNEUM RESEARCH (Вайц, Австрия) представили патчи для беспроводного мониторинга состояния здоровья, в которых используются встроенные пьезоэлектрические наногенераторы для питания собранной биомеханической энергией. Эта работа может привести к созданию новых автономных датчиков состояния здоровья, а также носимых электронных устройств без батарей. По мере того как носимые технологии и интеллектуальные датчики становятся все более популярными, проблема обеспечения питанием всех этих устройств становится актуальнее. В то время как энергетические затраты каждого компонента могут быть скромными, необходимость в проводах или даже батареях создает неудобства. Вот почему необходимы новые методы сбора энергии, что поможет ускорить внедрение технологии в кабинетах врачей.
Команда исследователей из Японии и Австрии изобрела новые сверхгибкие пластыри с сегнетоэлектрическим полимером, которые могут не только измерять пульс и кровяное давление пациента, но и питаться от обычных движений.
Авторы подсчитали, что многослойные пластыри могут собирать до 200 миллиджоулей в день от биомеханических движений, если их наносить на суставы, такие как колени или локти. Этого достаточно для мониторинга сердечно-сосудистых показателей несколько раз в день. И пластыри настолько тонкие, что они едва заметны, что важно для многих пациентов.
Патч с вакциной
Весьма популярна идея создания вакцин в форме пластыря. Главная сложность в том, чтобы сделать иглы маленькими. Настолько маленькими, чтобы они не взаимодействовали с нервными окончаниями, чтобы прививка была максимально безболезненной.
Директор Центра разработки, разработки и доставки лекарств в технологическом институте Джорджии Марк Праусниц до сих пор занимался разработкой патч-вакцины от гриппа и кори, но эта технология может быть использована и для иммунобиологического препарата против COVID-19.
Праусниц говорит, что пластырь с микроиглами является «ответвлением» индустрии компьютерных чипов. Чипмейкеры действительно преуспели в создании крошечных структур из кремния.
«Они становились все меньше и меньше и в конце концов достигли микронного масштаба, что нам и нужно для изготовления пластырей с микроиглами», — рассказывает Праусниц. Эти крошечные иглы теперь часто изготавливаются из водорастворимых материалов, поэтому, как только они попадают в вашу кожу, они растворяются, высвобождая все, что вы в них упаковали.
Патч-вакцины просты в использовании, пациент может прививаться без помощи медперсонала. К тому же они термостабильны, что значительно облегчило бы доставку вакцин в отдаленные места.
Доцент инженерного факультета Университета Коннектикута Тхань Д. Нгуен ищет способ еще больше упростить доставку вакцин. Он сделал пластырь, который может доставлять несколько доз вакцины с интервалом в несколько дней или недель с одним применением. Хитрость заключается в том, чтобы ввести вакцину в иглы, которые растворяются с разной скоростью.
«Пациенту не нужно было бы запоминать график вакцинации, — говорит Нгуен. — Ему не нужно было бы получать еще один пластырь для введения второй дозы».
Мужская сила
Компания Morari Medical из Миннесоты придумала пластырь для лечения мужской сексуальной дисфункции. Это носимый пластырь-нейростимулятор, который наносится на промежность и активируется с помощью беспроводного устройства Bluetooth. Электрические сигналы от пластыря замедляют передачу нервных импульсов, которые могут вызвать преждевременную эякуляцию.
Пластырь для промежности, по понятным причинам, является одноразовым устройством. Разработчики надеются, что их устройство появится на рынке в 2021 году. Стоимость одного пластыря составит 25 долларов. Хотя выглядит патч довольно угрожающе и кажется, что его снятие будет сопровождаться эпиляцией нежной зоны тела, на самом деле в медицинском изделии не используется клей. К промежности пластырь крепится при помощи геля, который также служит проводником.
Екатерина Погонцева